微量元素铜在养殖业中的应用研究

2019-11-26张倚剑梁天柱冯栋梁刁蓝宇梁明振

广西农学报 2019年3期

张倚剑梁天柱冯栋梁刁蓝宇梁明振

(广西大学动物科学技术学院,南宁 530004)

铜是第29号元素,化学式Cu,是一种较为柔软的金属,摩尔质量为63.546 g.mol-1,活动性较弱,自然界中多以铜矿石的形式存在。人类对铜的利用早在几千年前就开始了,从日常生活中的电线,到作为药物、添加剂等的食用,铜与人类社会有着密切的关系。铜在动物体内是一种重要的营养元素,在细胞呼吸、骨的形成、心脏功能、结缔组织的形成、脊索的髓质化、上皮组织角质化及组织色素的形成等方面发挥重要作用。高剂量的铜具有促生长的作用,使用高铜被广泛应用于畜牧生产中。目前,铜元素在动物生产中的应用主要是作为补充剂添加到药品和饲料中,常见的有：硫酸铜、氧化铜、氨基酸螯合铜、碱式碳酸铜、碱式硫酸铜等。畜牧生产中以硫酸铜和氧化铜的应用最为普遍。

1 铜对动物的营养生理功能

铜在动物体内有重要的作用,参与了细胞呼吸、骨的形成、结缔组织的形成、脊索的髓质化、上皮组织角质化及组织色素的形成等。铜具有提高机体的造血能力、促进新陈代谢、提高抵抗力等作用[1]。当动物体缺乏铜元素时,会导致全身性营养不良、发育缓慢、神经絮乱等症状,并且铜的缺乏会影响铁的吸收,从而导致贫血症。早期畜牧生产中添加高剂量的铜元素主要是为了起到提高生产性能的作用。

2 铜在畜牧养殖中的应用

2.1 铜在反刍动物上的应用

反刍动物的营养主要依靠瘤胃微生物作用,提高反刍动物的瘤胃微生物营养就是提高反刍动物营养。在反刍动物饲料中添加适当含量的铜元素,可以减少饲料资源的浪费,节约精饲料,降低饲养成本[2]。张微等人(2006)通过体内法证明了日粮中适宜的铜浓度有利于山羊瘤胃微生物的生长[3]。李文才等人(2015)通过体外发酵的方法发现,添加适当的硫酸铜可以提高干物质的降解率,同时也提高了瘤胃液中乙酸和总挥发性脂肪酸的浓度,对瘤胃微生物的发酵有促进作用[4]。代振威(2017)等人发现,在饲料中添加纳米铜可以促进瘤胃的发酵作用[5]。因此,可以在日粮中添加铜或者饲喂含铜量高的饲料,例如豆科和混播牧草、禾谷籽实料及其副产品等,可以提高反刍动物的养分利用率。

2.2 铜在猪的饲养中的应用

猪对铜的需要量大概为6mg/kg,但通常在饲料中添加一些饲料添加剂来提高饲料中的铜含量,以达到提高生产性能的效果。首次发现高剂量的铜可以提高猪的生长是在1955年,由英国学者Braude发现,其后国内外做了无数次重复试验,均证明高铜饲养可以促进猪的生长[6]。一般来说,饲料添加高剂量铜150～250mg/kg具有促进动物生长,改善饲料报酬的作用[7]。在断奶仔猪的饲料中添加高铜,可显著降低仔猪的腹泻率,并且能提高仔猪的成活率[8]。诸多研究表明,高铜能够提高猪对养分的消化率。X G Luo等人的研究表明,250ppm铜能促进仔猪肠道脂肪酶和磷脂酶A的活性,从而提高日粮脂肪消化率[9]。欧秀琼(2014)等人证明了高铜能够提高猪对粗蛋白、粗脂肪的消化率[10]。高铜能提高仔猪胃蛋白酶、胰蛋白酶和胰淀粉酶活性,改善回肠、空肠和十二指肠绒毛高度及三肠段绒毛高度与隐窝深度之比[11]。高铜饲养除了有提高猪的养分消化率的作用,也有提高抵抗力的作用。高铜的作用类似于抗生素,其促生长效应与抗生素的效果具有可加性,同时使用的效果要优于单独使用的效果[12]。沈绍新(2009)发现,在日粮中添加羽毛粉铜和锰螯合物可以提高断奶仔猪的免疫球蛋白数量[13]。周丽华(2009)的研究表明,添加蛋白螯合铜可以提高育肥猪血液中淋巴细胞数量和小肠上皮内淋巴细胞数量,增强了生长肥育猪的免疫功能[14]。

2.3 铜在家禽生产上的应用

缺铜会导致鸡的贫血、羽毛褪色、佝偻病等症状[15],但一般在生中鸡很难出现缺铜的情况。铜对禽类的用法用量尚未有一个确切的说法,不同品种、不同生理阶段的铜需要量均不同。李龙等人的研究表明,在1～21日龄的黄羽肉鸡的日粮中含铜量为13.38mg/kg时,能够提高黄羽肉鸡的生长性能、促进其免疫器官发育和提高抗氧化性能力,而在22～42日龄时,黄羽肉鸡取得最佳生长性能和抗氧化功能的铜需要量分别为6.75mg/kg和10.75mg/kg,这些数值是高于白羽肉鸡的铜需要量的[16-17]。宋景萍(2017)发现,60mg/kg的铜添加量对新罗曼蛋鸡的生产性能和蛋品质产生最佳效果[18],而张彩英(2010)等人发现,以氨基酸螯合铜的形式在鸡日粮中添加15～30mg/kg铜就可以显著提高育成期海兰褐蛋鸡的生产性能和免疫功能[19]。

3 养殖业过度使用铜添加剂对食品安全和环境的危害

3.1 铜对环境的危害

改革开放以来,我国的经济高速发展,但同时带来的环境问题也是严峻的。畜牧行业的规模不断扩大,使用高铜带来的收益是巨大的,但同时带来的环境污染也不容小视。畜禽养殖业对土壤的污染主要是粪污排放带入的重金属和各种抗生素[20]。前文中提到,饲料中添加铜可以起到提高生产性能的作用,因此在畜牧生产中,一些养殖户或者养殖企业盲目地添加铜元素。由于铜元素的吸收率低,添加的铜越多意味着粪污中的铜残留,导致土壤中的铜元素不断提高,对土地造成了严重的污染[21]。薄录吉(2018)对我国21省市规模化养猪场粪便和11省市猪饲料重金属浓度数据进行了分析,在21省市中,猪粪中Cu平均含量超标达到95.2%;在其中有猪饲料数据的11省市中,猪饲料Cu含量超标的样品数量占到100%,超标倍数在13.2～49.0之间[22]。赵汉取(2014)在湖州市、嘉兴市的抽样检查中发现,鱼类养殖池塘表层沉积物中铜污染指数较高[23]。王传花等人(2015)在浙江乐清湾对养殖区表层沉积物进行检查发现,所有养殖区均可发生由Cu偶尔引起的不利生物毒性效应[24]。焦宝玉等人(2015)的调查发现,河南中牟县万滩镇养殖池塘底的Cu含量超标[25]。潘科等人(2014)通过对“蓝牡蛎”和“绿牡蛎”这两种现象的分析来说明了我国近海和河口均出现了不同程度的铜污染现象[26]。我国是养猪第一大国,其猪肉需要量居全球首位。猪饲料中的铜超标现象在全国普遍存在,尤其是早期一些散养农户,误认为猪粪越黑饲料品质越好,盲目地使用饲料商提供的高铜饲料,殊不知使猪粪发黑的原因是因为铜在肠道内形成硫化铜的原因,且散养户没有专门的粪污处理系统,会将猪粪作为肥料,致使许多农村的土壤、水源都受到了一定程度上的污染。许多研究证明,长期施用猪粪肥会导致农田土壤的铜重金属积累[27-29]。

3.2 铜对食品安全的影响

土壤中适当的铜可以促进植物的生长,但当铜含量严重超标时,就会危害到农作物的生长[30-31]。铜会通过影响叶绿素的合成或者破坏叶绿素的方式来抑制植物的光合作用,从而导致植物的疾病甚至是死亡[32-33]。土壤中的铜随着循环作用,最终不仅会影响动植物、土壤中的微生物,甚至也会对人体健康造成威胁[34-35]。这些残留的铜会通过食物链的传递作用,最终进入人体[36-37],长期食用这些食物,例如动物肝脏或是被铜污染的植物,将会造成人体的铜的积累。铜元素的积累,会导致人体对锌、铁等微量元素的吸收出现障碍,诱发缺铁症或缺锌症,甚至可能引起中毒,导致肝损害、小脑功能失调等。研究表明,阿尔兹海默症患者血清中铜的含量较高[38]。郭子雷等人(2017)也证明了血清铜含量与老年痴呆的程度成正相关,为危险因素[39]。Wilson病患者也是由于铜在体内过于沉积而导致组织损害和病变。

4 减少铜危害的措施

4.1 政策性调整

随着现代养殖业不断地向集约化、规模化的发展,大型养殖场更应该注重铜的添加使用问题。农业部公告第2625号《饲料添加剂安全使用规范》规定,将仔猪添加期从之前的30kg以内调整为25kg以内,并将最高限量从200mg/kg下调为125mg/kg。欧洲食品安全局也在2016年将仔猪全价料中的铜添加量上限由原先的170mg/kg调整为25mg/kg。可以看出,国内外养殖行业对铜元素的添加量开始有所限制。降低铜添加量的同时必定会伴随着生产性能下降的问题,我们需要尽快寻找新的方案来应对。除了在养殖环境上进行改善外,还应该积极寻找可以替代硫酸铜的方法。

4.2 研究使用代替高铜抗菌促长功能的新型添加剂

王丽娜(2018)等人通过营养调控技术发现可以提高断奶仔猪的成活率[40]。还可以通过添加一些植物提取物来替代硫酸铜。黄其春(2018)等人通过在日粮添加1.0%银杏叶超微粉,发现可改善断奶仔猪肠道菌群平衡和小肠形态,提高断奶仔猪生长性能[41]。Kalpana Platel等人(2000)的研究表明,添加植物精油可以改善饲料的消化利用率[42]。近些年的研究均表明植物精油在一定程度上可以替代抗生素和微量元素的作用,这也是最近国内饲料研究的主要方向。复合精油能够提高断奶仔猪的抗应激能力,缓解其免疫应激,且能够起到提高其生产性能的效果[43-44]。且植物精油对于反刍动物来说,也能够起到促进其瘤胃发酵、增加抵抗力、提高产奶率等效果[45-47]。此外,植物精油还能起到提高动物抗氧化能力、降低其发病率的作用[48-49]。

除了植物精油外,益生素也有着提高饲料利用率、提高免疫力、提高奶牛产奶量、促进瘤胃发酵、提升蛋品质、降低仔猪腹泻等作用[50-55]。同时益生素能够和许多添加剂起到配伍的作用,从而更加提高饲料价值。益生素不仅稳定性好,且具有种类多、易生产、无毒害等特点。目前来说,益生素不能够完全取代抗生素或微量元素的地位,但总体研究一直在朝着积极的方向发展,优势已经越来越明显。

4.3 重金属污染土地的处理方案

现阶段对于土壤重金属的处理方法有：生物修复、物理修复和化学修复等,由于化学修复具有实现土壤原位修复、无需高能、易于操作、经济实用等特点,现今治理土壤重金属污染大多采取化学修复[56]。化学修复较为实用的技术为土壤原位钝化技术,通过在被污染的土壤使用钝化材料而达到改善环境的目的[57]。钝化是一种能够将土壤中的重金属从活跃态转变成稳定态的化学过程,从而使被污染土壤中的微生物和植物能够正常生长[58]。黏土矿物钝化修复是一种新兴的土壤化学钝化法,具有良好的吸附性,一般指高岭石、蒙脱石、水云母、海绿石、绿泥石等,已经被广泛应用于治理重金属污染的农田等[59-60]。研究表明,黏土矿物可以有效钝化铜、镍、锌、铅等重金属[61-63]。赵立春(2018)等人发现,将海藻有机肥、伊利石粉、腐植酸粉按一定的比例混合添加到发酵秸秆肥中,钝化效果极显著[64]。除了黏土矿物,磷酸盐也具有良好的钝化效果。但使用磷酸盐来处理重金属污染,可能会因为磷的积聚从而导致一些新的环境问题,例如水体富营养化等[65]。